上海前灣科貿(mào)有限公司
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閱讀：16發(fā)布時間：2026-4-26
可用于可穿戴健康監(jiān)測的自供電環(huán)保型量子點光電傳感器：
近些年，人口老齡化和疫情的影響，推動了人們對長時間佩戴以獲取生物信號的醫(yī)療保健監(jiān)測設(shè)備的需求增長。然而，傳統(tǒng)硅基光電傳感器由于重量大且剛性，長時間佩戴不舒適，限制了它們在可穿戴監(jiān)測方面的實際應(yīng)用。另外，它們還無法與皮膚保持緊密接觸，因而也不能準確地獲取生物特征信號。
聯(lián)合研究團隊還基于這款光電傳感器制作了一種可貼附于皮膚的可穿戴超薄脈沖傳感器，能夠在不同機械形變下穩(wěn)定地獲取脈沖信號。這項研究現(xiàn)已發(fā)表于ACS Nano期刊，題為“Ultrathin Self-Powered Heavy-Metal-Free Cu–In–Se Quantum Dot Photodetectors for Wearable Health Monitoring”。
這項研究成果由大邱慶北科學技術(shù)學院與蔚山國立科學技術(shù)研究院（UNIST）新材料工程系Moon-kee Choi教授團隊及首爾國立大學化學與生物分子工程系Dae-hyeong Kim教授團隊聯(lián)合開發(fā)，憑借光伏效應(yīng)，該環(huán)保型量子點光電傳感器可以在沒有任何外部電源的情況下穩(wěn)定測量光信號。
考慮到應(yīng)變傳感器大多以電阻變化為基礎(chǔ)，因此主要關(guān)注電阻型紡織應(yīng)變傳感器的傳感機理，主要包括纖維變形、隧道效應(yīng)、裂紋擴展、織物變形、電接觸和橋接。同時，還全面討論了通常作為重要數(shù)據(jù)擬合方法的相應(yīng)電阻預(yù)測模型，這些模型可以再現(xiàn)電阻變化趨勢，為傳感器性能提供指導。最后，總結(jié)了基于紡織品的應(yīng)變傳感器的多功能性，即多模式信號檢測、視覺交互、能量收集、熱管理和醫(yī)療。
今年的諾貝爾化學獎授予了三位發(fā)現(xiàn)并開發(fā)量子點的科學家，量子點也被稱為納米科學的種子。量子點是一種超微半導體顆粒，尺寸只有數(shù)納米（nm）大小，相比傳統(tǒng)半導體材料更好的光學和電學性能，使其能夠快速分離電子和空穴。聯(lián)合研究團隊開發(fā)的環(huán)保型量子點光電傳感器的量子點吸收層約40 nm厚，但也顯示出出色的器件性能（比探測率：2.10 x 10¹² Jones，線性動態(tài)范圍：102 dB，零偏壓下的光譜范圍：250-1050 nm）。理想的傳感器可以作為藥物載體，在心臟監(jiān)測數(shù)據(jù)異常時將藥物送入皮膚。一些微小的纖維傳感器可以注入人體皮下，作為人體組織的支撐結(jié)構(gòu)和組織細胞生長的介質(zhì)，最終實現(xiàn)醫(yī)療目的。然而，實現(xiàn)這些功能的前提條件是材料具有良好的生物相容性，而這是建立在日積月累的生物實驗基礎(chǔ)之上的。雖然紡織品傳感器在生物醫(yī)學領(lǐng)域還很少受到關(guān)注，但預(yù)計在不久的將來，它將迎來一個蓬勃發(fā)展的時期。這主要歸功于材料和器件設(shè)計策略，材料包括Cu-In-Se量子點、MoS?納米片混合的聚（3,4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸鹽）空穴傳輸層、ZnO納米顆粒電子傳輸層、Ag和ITO電極，以及超薄的外形（除電極外約120 nm），可實現(xiàn)出色的機械形變能力。此外，它在沒有外部電源的情況下也表現(xiàn)出良好的光檢測性能。這兩個特性對于可穿戴光電傳感器應(yīng)用來說是巨大優(yōu)勢。大規(guī)模生產(chǎn)也是集成傳感器普及的關(guān)鍵一步。目前，大多數(shù)集成傳感器仍局限于實驗室，依賴于耗時的制造技術(shù)和精密設(shè)備。大多數(shù)集成傳感器的長度有限 (從厘米到米)。關(guān)于已實現(xiàn)連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)的集成傳感器的報道很少。因此，很難保證集成傳感器的性能始終如。雖然一步式熱拉伸顯示出大規(guī)模生產(chǎn)的潛力，但熔體材料的選擇和預(yù)成型材料的分層組裝不利于通用生產(chǎn)平臺。有必要為連續(xù)制造建立相應(yīng)的自動化生產(chǎn)平臺，這需要材料科學領(lǐng)域和機械自動化領(lǐng)域的協(xié)同努力。此外，還應(yīng)致力于研究制造參數(shù)與器件性能之間的關(guān)系，從而促進集成器件的工業(yè)化生產(chǎn)。
此外，聯(lián)合研究團隊還將這種在聚合物基柔性襯底上制得的光電傳感器與光源相結(jié)合，開發(fā)出一種可穿戴脈沖傳感器。該傳感器具有柔性，即使在0.5 mm的曲率半徑下也能穩(wěn)定地工作，因此，在附著人體之后，即使面對步行和跑步等運動情況也能穩(wěn)定地測量脈沖。
Ji-woong Yang教授說：“通過控制這種環(huán)保型量子點的結(jié)構(gòu)，開發(fā)針對量子點優(yōu)化的電荷轉(zhuǎn)移層，我們能夠制造出高性能的環(huán)保型量子點光電傳感器。”
UNIST教授Moon-kee Choi表示：“我們能夠基于環(huán)保型量子點光電傳感器制造出一種具有高度柔性的超薄脈沖傳感器，并且還不需要外部供電。它有望用于各種下一代光電傳感應(yīng)用，例如激光雷達和紅外相機，以及可穿戴醫(yī)療保健監(jiān)測系統(tǒng)等。”
量子點用于光電傳感器具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點，因此基于量子點的光電傳感器獲得了廣泛研究。不過，大部分現(xiàn)有量子點光電傳感器的厚度都超過數(shù)微米，而且大多使用了有毒重金屬材料，如硫化鉛（PbS）。因此，這些量子點材料在實踐中還無法應(yīng)用于可穿戴光電傳感器。
該聯(lián)合研究團隊現(xiàn)已成功開發(fā)出一種不含重金屬、基于銅銦硒化物（Cu-In-Se，CISe）環(huán)保型量子點的超高性能量子點光電傳感器。此前，人們普遍認為，基于環(huán)保型量子點的光電傳感器性能較差。盡管如此，該聯(lián)合研究團隊通過控制量子點的尺寸和組成，改善了環(huán)保型量子點的電學性能，開發(fā)了一種適合量子點的新型有機-無機混合電荷轉(zhuǎn)移層，構(gòu)建了一種性能超越現(xiàn)有的有毒量子點光電傳感器的環(huán)保型量子點光電傳感器。
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